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HDR10、Dolby Vision差異分析
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Update: 2021-01-22 11:37:32
標籤: HDR10, HDR10 Plus, Dolby Vision, 杜比視界

現今在影像科技最受歡迎而且常見到的字眼之一就HDR。不論你到哪裡,你都會看見電視、影片串流服務、遊戲機台、甚至是手機也都有提到他們支援HDR。

早在2015年進入市場,當時不斷往上提升的電視解析度被視為一種顯學,HDR的提出主要要讓影像往更有意義的方向提升,而不是只單單有更多的像素而已,它的目標是要有更好的像素。透過在亮度輸出水平可允許更多樣的變化來改善動態範圍外,HDR功能還讓色彩有更廣泛的表現。

從那時起HDR的歡迎程度與日俱增,廠商們也了解到在電視產品多了這三個英文縮小字母會比較賣得動。伴隨HDR而來就是我們經常聽見的它有「更亮的白像素,更深黑的黑像素」。但如果你問一般人對於「更亮的白像素,更深黑的黑像素」這句話真正含義理解到什麼程度,或者圍繞HDR的行銷話術或其各式各樣的相關格式,通常得到的答案是不是很了解。

所以本篇我們試著解釋它到底是什麼?它與一般或目前的SDR差別在哪?它如何被製作?甚至Dolby Vision是什麼?來幫助對於HDR想要有進一步理解的朋友參考。

 

動態範圍

如果要理解什麼是HDR或High Dynamic Range(高動態範圍),我們需從基礎的動態範圍開始。描述動態範圍時,是指某事物所產生的最低和最高值之間的差異範圍。雖然在不同領域也會用到,本篇我們將只就它在螢幕顯示與相機功能做探討。以螢幕顯示來說,動態範圍是指螢幕可以顯示的最亮和最暗亮度之間的差值。以相機來說,是指在任何設定情況下,相機所能捕捉到的最亮和最暗的亮度之間的差值。

▼ RED Weapon Monstro 8K VV的動態範圍約有停靠點

流明/亮度值的動態範圍通常以停靠點(Stop)來測量,這不是絕對單位,每增加一倍的亮度,就會往上提升一個動態範圍的停靠點。

要獲得高動態範圍的影像觀看體驗,需要儘可能有兩個相距最遠停靠點的支援。意謂從相機捕捉內容到影像編輯套件的編碼,再到格式的傳送,最後顯示在你的電視上,這一連串過程都需要符合支援HDR規格,否則處理過程若所「妥協」時,最終呈現結果將不會是HDR內容或者提供觀賞體驗不是那麼佳。

 

標準動態範圍

許多人典型的數位影片,或是現在被稱作標準動態範圍影片的內容,當中包含很多定義參數。我們以標準HD藍光片上的影片為例。在大多數HD藍光片上的影片都是標準H.264 8bit 4:2:0 色度採樣。H.264是編碼,是目前最常使用的影片格式之一。8 bit的bit是位元深度(亦稱為色位深度),8 bit指每個R-G-B原色各自分配了2的8次方(2^8)=256階灰度,R-G-B三原色就是2乘以24次方 (2^24)個色階,也就是16,777,216色。如果是10 bit,那就是2乘以30次方 (2^24)個色階,也就是1,073,741,824色。

4:2:0講的是色度採樣,這是一種透過減少顏色訊息所進行的壓縮方式。除了4:2:0,還有4:4:4、4:2:0,這是表示錄製設備的色度採樣(Chroma Sampling)規格,在數位影像處理領域中,色度採樣直接影響拍出來影片的顏色完整度,但4:4:4、4:2:2、4:2:0分別代表什麼呢? 以下引用 datavideo 網站「8-bit、10-bit、12-bit、4:4:4、4:2:2、4:2:0 是什麼?」一文。

在進一步解釋色度採樣前,我們首先必須了解一個像素包含了「明度」與「色度」兩組訊息-若將像素中的「色度」抽離,得到的是黑白的畫面,若將像素中的「明度」抽離,得到的會是全黑的畫面。另外,研究發現,人眼對「亮度」的敏感程度高於對「色度」的敏感程度,因此可藉由保留像素上的「明度」訊息,壓縮「色度」訊息,讓多個像素共享一個色度值呈現顏色,如此可以大幅降低數據量卻又能兼顧視覺品質。

在壓縮影像中,以Y’CbCr 表示「色度採樣」,第一個「Y」表示明度(Luma),佔據一個像素1/3的訊息量,明度訊息予以保留,不壓縮;「Cb」、「Cr」則表示兩個不同顏色(Chroma)分量,佔據一個像素2/3的訊息量,可藉由壓縮降低像素的數據量。以4:4:4 為例,第一個數字「4」代表的是像素的橫向採樣數量,第二個「4」代表的是第一排的色度採樣值,第三個「4」代表的是第二排的色度採樣值,畫面中每個像素都有與之對應的色度和亮度採樣信息。同理,4:2:2 表示第一排的色度採樣有2個顏色值,第二排的色度採樣也有2個顏色值,每個像素都有對應的亮度採樣,但色度採樣數只有4:4:4的一半;4:2:0 表示第一排的色度採樣有2個顏色值,第二排的色度採樣則是沿用鄰近第一排的色值,色度採樣數剩下4:4:4的四分之一了。

▼ 4:4:4有8個色度,4:2:0只有2個色度,因此4:2:0的採樣數是4:4:4的4分之1,較低的4:2:0的採樣值對於影片品質來說OK,但對於演算法使用而言可能會變得模糊。

▼ Rec.709 色域與與 Rec.2020和 DCI-P3 在可見色彩範圍內的比較

 

接下來是色彩空間。HD藍光影片的色彩空間主要落在Rec. 709(見下圖紅色三角框範圍),與在電腦上及網路上使用的sRGB彩空間相當,都有同樣的6504K D65白點,但Rec. 709的gamma為2.4,而sRGB的gamma則是2.2。

色彩空間定義了可用顏色的範圍。每個顏色都可以映射到此3D「空間」中的特定點,此特定點是經由人眼可見顏色的範圍來定義。gamma(伽瑪)是用於標準動態範圍影片的電光傳遞函數或EOTF的數學方程式,將輸入的電信號轉換為可見的顏色訊號。gamma值是廣泛地控制影像內容顏色的亮度值,更改gamma值將更改該內容中所有的顏色值。假如你把gamma值從2.4改到2.2,整個圖像會變得更亮,同樣的,如果一幅gamma值在2.4的圖像將它調到2.8時,整幅圖像會變得更暗。

▼ 以下四張圖片由左至右的Gamma值分別是1.0、1.8、2.2、4.0

最後是最大亮度。一個標準動態範圍影片的峰值亮度為100 nits(尼特)。調色師們會在一間只比全漆黑程度還高幾尼特的房間裡將他們的標準動態範圍顯示器調校到100尼特,並且確保最白的白像素亮度不超過100尼特,不然就是進行削減。

此亮度限制是標準動態範影片的最大限制。雖然其它諸如色位深度、色度採樣、以及色彩空間等因素是可改變,而且在一段標準動態範圍影片可以有更高的值例如10bit色位深度、4:4:4色度採樣、Rec. 2020的色彩空間,但亮度值一定會定在100尼特的上限。

這表示對影像內容動態範圍有嚴格的限制,因為100尼特和0尼特之間的差異僅有6個停靠點,這樣並不算多。由於最亮的值只能比最暗的值僅僅多這樣的亮度而已,因此影像的對比度自然很低。

這種程度的差異不足以產生逼真的影像內容。在一個陽光普照的天氣當你站在外面時,你所看到的物體其實反射出上以萬計尼特的亮度。太陽本身輸出的光就超過10億尼特以上。人類的眼睛則是無法成功地看到全部動態範圍,這是為何我們的視網膜在很光亮的環境會縮小,但在陰暗的光線會再一次張大的原因。但是人類的眼睛仍然可以查覺到明亮的物體非常明亮(例如,在陽光下閃閃發光的白色汽車),而這在電視上郤無法表現出來,因為兩者的亮度遠遠不能比。

當然,你可以把標準動態範圍顯示器的亮度調整超過100尼特,但這麼做並無法增加動態範圍或是螢幕的對比度,只是讓整個畫面的亮度變更亮而已(包括陰影區域的)。為了準確地重現真實世界的色彩,我們需要有能夠使亮部區域有足夠亮度,同時陰影區域可以保持一定水平亮度的顯示器與內容。

 

高動態範圍

此時就需要高動態範圍的協助了。高動態範圍影片主要的優勢是能提升峰值亮度,而這是透過稱作「感知量化器(亦稱作SMPTE ST 2084)」新的電光傳遞函數做到的。此函數允許HDR影片的亮度可達10000尼特。HDR的黑點像素的亮度可以更低到僅僅0.0001尼特,對比標準動態範圍(SDR)影片只能低到0.01尼特,HDR讓陰影區域可以紀錄更詳細的資訊。峰值亮部與暗部值之間的差異延展,結果就是讓HDR內容能有更大的動態範圍,進而讓影像看起來更逼真。

然而,以現今顯示器的技術,並無法做到10000尼特亮部區域的顯示。目前可輸出4000尼特的專業螢幕要價一台要30至40萬台幣,至於大多數消費等級的電視則鮮少有超過1000尼特,如果是OLED面板的話亮度更低。

▼ 圖片來源:Mystery Box

 

無論現有限制如何,HDR有較高的理論上限在影像內容的控制掌握仍有較大的自由度,讓專業調色師與母帶工程師(mastering engineer)有更大的發揮空間。一部HDR影片並不是只單單的亮度比較高而已。事實上如果你有看過現今多數HDR的影片,其實很多都還低於100尼特或200尼特。

這是因為不是所有事物都需要那麼高的亮度。關於HDR常見的誤解是,它會讓所有影像內容變亮,但事實並非如此。HDR能允許額外的動態餘量(headroom),例如,如果一個漆黑的房間場景中,房間某處有盞明亮的燈,房間本身的亮度可能低於100尼特,但如果掌鏡者若想要的話,透過對比度建立,這盞燈可能是800尼特或甚至到2000尼特,房間實際上仍然是漆黑的,但該盞燈可以像真的那樣穿透黑暗並更加的明亮。

HDR在亮度值上可以帶來更大差異,這是SDR無法實現的。同樣,在SDR如果你只是調高顯示器的亮度,它只會讓整個房間變更亮,但這不是我們想要的-我們的目標是對比度的提升,而不僅僅是亮度而已。

HDR技術可以應用在影像框架中很多區域。在編輯過程中可以為較小的明亮區域(也稱為鏡面高光)分配更高的亮度值,讓它可以逼真地顯示出較周圍其他區域更明亮的樣子。這裡的目的是要有對比度,不是只提高亮度。如果調色師或導演覺得在一個特定場景或是整部電影沒有任何需要把亮度調高超過200尼特的,實務上是有這麼做的。

廣動態範圍(wide dynamic range)只是高動態範圍(HDR)的一部份。HDR還支援廣色域(wide color gamut)或簡稱WCG。對於標準動態範圍內容而言,廣色域不是必要的(可選擇的),但它是高動態範圍(HDR)影片格式規範的一部分,因此,我們必定會在HDR影片內容中看到一些寬色域的應用。因為沒有多少顯示器可以涵蓋整個Rec.2020色域,所以儘管母帶製作時,其中的影像內容通常使用較小的DCI-P3色域,但HDR格式仍會使用更寬廣的Rec.2020色域。

如同動態範圍不是一味將所有影像的亮度調高,廣色域(WCG)的存在並不是一味將一切影像都調整得很生動和過度飽和。WCG再次加寬了canvas,並為美術設計在為其HDR母帶分等內容時提供更多的色彩範圍。你在顯示器上看到的大多數顏色可能都仍在Rec.709色域裡,但偶爾如果美術設計覺得他們正尋找的特定綠色色度不在Rec.709色域範圍內,透過廣色域支援,他們現在可以從更寬廣的Rec.2020顏色集中選擇。

高動態範內容的色位深度通常也在10-bit或者更高。多出的色位深度將讓每個顏色通道有較少的色帶,顏色會是更自然的漸變效果。

 

HDR格式

目前HDR有來自不同公司所提出的不同格式,但當中有四種格式獲得最多採用。

首先是HDR10,它是你所能看到最標準的HDR格式。如果一部影片具備HDR,它很可能是HDR10或至少以它作為基礎層製作。由於它的標準化及被廣泛的採用,每款你購買的HDR相容裝置幾乎都會支援HDR10。這讓你搜尋內容變得容易許多,而且無論你使用哪種裝置幾乎都可以播放。

HDR10是超高清藍光片的預設格式,即使使用其它格式的光碟片也會選擇HDR10作為它們的影像基本層以作為向下相容(向後相容)。串流服務如Netflix、Amazon、Hulu、YouTube、Vimeo、iTunes、以及Disney+ 除了一些他們各自的影片格式,也全都以HDR10作為HDR影片的預設格式,

HDR10的普及是其最大的優勢,之所以普及的原因很大程度上是因為它不用授權權利金。技術上而言,它也是一種相當強的格式,使用Rec.2020廣色域與10bit色位深度支援到1000尼特亮度值(因此命名為HDR10)。除了最大亮度值只達1000尼特的上限外,它最主要的限制是使用靜態元資料(註:元資料又稱為詮釋資料、中介資料、中繼資料、後設資料)。

HDR10使用SMPTE ST 2086靜態元資料,包含關於影像內容在什麼顯示器上被製作的資訊。它還包括諸如最大框架亮度水平(Maximum Frame Light Level,簡寫為MaxFLL)及最大內容亮度(Maximum Content Light Level,簡寫為MaxCLL)。接收影像的顯示器(例如家中電視)會使用此資訊來為影像內容調整亮度。可惜的是,這些值在整個HDR10影像內容運行時是靜態不變的,因而讓成像結果不是那麼的理想,例如某些場景的亮度可能不盡如人意,而另一些場景的亮度可能要再亮一些但郤沒有。

於是有了HDR10+。HDR10+可以解決很多這些問題。由三星、Panasonic、20th Century Fox(華特迪士尼影業集團子公司)共同創建,HDR10+具備與HDR10相同的規格,但最大亮度值增加到10000尼特,並支援動態元資料(Dynamic metadata)。

經由動態元資料,調色師可以讓影片包含依據每個場景或每個影格的基本資訊,這些基本資訊可用來調整影像內容的亮度水平。電視機也是利用這些資訊來調整亮度值的輸出,好完全與影像內容的亮度值符合,藉此更緊密地重現創作者要表達的畫質。 更高的亮度值還讓電視可以達到比1000尼特還要大的亮度,而非只受限在1000尼特而已。

HDR10+內容向下相容HDR10的裝置,由於大部份的差異都包含在元資料中,因此可以被不支援HDR10+格式的顯示器忽略,也就是說只能播放HDR10格式的裝置也能播放HDR10+內容,觀看的視覺體驗就像觀看HDR10影片而已。

雖然HDR10+宣稱免授權權利金,但每年會有一個管理費,大約落在2500美元至10000美元之間,視採用這項技術的產品規模而定。

儘管HDR10+有比HDR10好的技術優勢,但並未獲得太多採用-包括內容創作者、服務提供商以及設備製造商都沒有很積極採用。唯一在推動此規格的公司不是發起者(如三星,Panasonic),就是HDR10+聯盟中的公司如Amazon而已。即是在這些有試著推動HDR10+規格的公司中,有些如Panasonic甚至開始在自家電視提供如Dolby Vision的規格(註:Dolby Vision是HDR10+的競爭對手)。在迪士尼併購20th Century Fox(21世紀福斯)後,他們也開始推出支援Dolby Vision規格的超高清光碟。因此這個時間點來看,HDR10+是否會像之前HD-DVD與藍光片規格之戰到最後消失於市場上沒人知道。

在討論Dolby Vision之前,先來談談Hybrid Log Gamma或簡稱HLG。HLG也是一種HDR格式,目的為讓HDR的信號能同時兼容SDR的顯示器,它是基於不同技術及使用情境而來。HLG使用非線性電光傳遞函數,信號值低光區段使用伽瑪曲線(gamma curve),高光區段則使用對數曲線(log curve),因此HLG格式影片可以在任何電視上播放;當在標準電視上播放時,它可以解譯生成SDR影片信號值的標準伽瑪曲線,並且當在HLG顯示器上播放時,還會讀取對數以產生完整的動態範圍效果。

▼ SDR與HLG伽瑪曲線,低光區段兩者伽瑪曲線相同 ,這是HLG相容於SDR原因,而高光區段HLG會有更大動態範圍

HLG由英國BBC和日本NHK在2015年五月共同發起。標準HDR10工作流程需要很多步驟,這也讓它不相容於非HDR顯示器。HLG被設計成當傳輸時以向下相容的格式刻錄所有資迅來繞過這個限制。

HLG由於不用授權金而被很多裝置廣泛採用,但這種格式在很大程度上只有某些電視廣播頻道才有。

 

Dolby Vision

與HDR10及HDR10+類似,Dolby Vision也是一種HDR格式。它是以Perceptual Quantizer Electro Optical Transfer Function(感知量化電光轉換功能)為基礎,可以達到最高10000尼特亮度。Dolby Vision還支援12-bit色位深度(2的36次方=68,719,476,736色)與Rec.2020色域。它是第一個支援動態元資料(Dynamic metadata)的HDR格式,能做到依每個場景或甚至逐幀色調映射。

自從Dolby Vision規格問世以來,它就穩定地逐漸被愈來愈多製片商與設備製造商採用。雖然HDR10仍然是HDR預設格式,而且甚至是具備Dolby Vision的HDR藍光片除了
有單獨的Dolby Vision元資料層,也會有HDR10基礎層。此外,很多製片商與串流服務提供商在選擇使用HDR格式時,都已經直接選擇Dolby Vision格式。

像杜比的所有服務一樣,Dolby Vision(杜比視界)是有專利的,所以每台有配置Dolby Vision的設備都要付權利金,儘管它的價格不高-每台電視付的權利金不超過3美元,但當全球有數以百萬台裝置採用,再加上智慧型手機,那個數量累積的金額就非常可觀了。

然而,雖然現今大多數線上影片串流服務平台多使用Dolby Vision,電影製作公司在發行新的超高清版本光碟納入Dolby Vision時郤面臨一些掙扎。這與光碟片實體的限制以及由超高清聯盟訂下的要求有關,因這迫使電影製作公司除了Dolby Vision元資料,還要納入HDR10基礎層以向下相容於舊款HDR電視,進而需要額外的儲存空間。線上影片串流服務平台的業者就不需要擔心這樣的問題,他們只要看消費者/訂戶家裡的電視支援什麼規格,透過網路傳送對應的格式就好。

因此這變成過去一年多來Dolby Vision超高清影片發行量不夠多/快的原因。儘管有要兼顧HDR10與Dolby Vision格式的困擾,有些電影製作公司有繼續堅持發行這類藍光片,但很多其他業者,包括迪士尼在內,都已經決定退回只在實體媒體上發行標準HDR10格式,只將Dolby Vision保留給線上串流內容。聽起來很匪夷所思,但這就是目前的情況。

作為一種格式,Dolby Vision具備位元流配置文件(bitstream profiles)與級別,此規定它的功能和規格。這些文件會根據所執行的裝置以及內容發布方式的不同而有所差異。至今,還沒有真正因為任何理由讓消費者意識到這個機制(或者說是處理過程),因為只要你有聲稱能支援Dolby Vision的裝置及內容,這一切就是在正常不過的順暢運作。

可能會讓你想到是使用Dolby Vision時的兩種不同模式。一種是標準模式,亦稱為電視主導的杜比視界模式(TV-led Dolby Vision),另一種是低延遲模式,亦稱為玩家主導的杜比視界模式(Player-led Dolby Vision)。兩種模式的不同處在於標準模式是在電視本身上面做所有色調映射與處理,可因此產出較佳的畫質影像,但缺點就是會稍微有一點延遲,至於低延遲模式則是在播放裝置上做色調映射的處理,此模式可以降低延遲,但缺點是影像準確度會稍微低一些。

因為這樣的原因,低延遲模式比較受遊戲機如Xbox、One X/S及Xbox系列所採用,也就是直接在遊戲主機上做色調映射的處理,然後再輸出至電視。此外,大部份有Dolby Vision功能的Sony電視只支援低延遲模式,但其他所有電視機製造商就支援標準模式,前者那些不支援低延遲模式的媒體播放器一開始會造成問題,不過很多可以透過軟體更新進行升級,而支援低延遲模式。

 

拍出HDR影片

以Dolby Vision或任何HDR形式來建立及完美製作內容其實是複雜且耗時。這需要更多及更好的設備來補捉及編輯鏡頭影像,而且最後步驟的色彩分級還要有調色師更大的投入,而不是讓影像看起來像在SDR分級上加個HDR標誌而已。

ARRI Alexa LF是好萊塢最受歡迎的攝影機之一,它有超過14個停靠點(stop)的動態範圍。

首先,你需要有一台擁有足夠動態範圍的數位相機。幸運的是,現今市場上的很多全片幅數位單眼相機甚至某些APS-C數位相機都具備動態範圍足夠寬廣的傳感器,只要以某些對數配置文件形式或直接以RAW格式進行拍攝,就可用產出HDR內容。至於數位攝影機則更早就有這種功能,意味你的數位攝影機只要是六萬元新台幣以上的機種,有很大的機會是錄製的影片能掌握或控制(master into)至HDR的。

請注意到「master into」這個關鍵字。我們不是指能夠直接錄出HDR影片的攝影機/相機。因為這並非用你在電影或電視上所看到的HDR內容製作出來的方式。你在電影或家中電視上看到的HDR內容全都透過某些品質真的很棒的連續鏡頭後製而來。藉此可以依據客戶端設備需求,靈活地產出多種版本的HDR內容以及一個SDR分級。

當你在數位相機使用對數配置文件或RAW格式進行錄影,錄製的影片就有極廣的動態範圍,一般來說在12個停靠點(stop)以上,但除非再進行色彩分級,否則幾乎無用。拍攝後,這些連續鏡頭/素材需要在電腦上進行色彩分級和後製才能進到最後交付的作品。

此外,你要有支援HDR的作業環境/系統。所幸現在最新版Windown 10及macOS都有支援。然後你還要有顏色分級軟體的協助或作為非線性編輯器使用。目前除了由blackmagic的DaVinci Resolve(達芬奇)這套是大家常用的軟體,還有其它的選擇,例如Adobe Premiere Pro與Final Cut Pro也都支援某種程度HDR工作流程。

▼ Sony BVM-HX310 TRIMASTER HX™ 專業主監視器,31.1英吋,真4K解析度,10-bit,在這類產品中具備傳奇般的地位,一台約4萬美元,約新台幣12萬元

最後,你要有一台能播放HDR的顯示器,它必須支援至少1000尼特的持續亮度、200000:1對比度、以及完整的DCI-P3覆蓋範圍(即使HDR的容器是Rec 2020,母帶仍針對DCI-P3來製作)。OLED螢幕、microLED螢幕、或雙層(疊屏)LCD顯示器都很棒,但確不是必要。如果你在為要放在YouTube或Vimeo頻道的影片進行色彩分級,那可以使用低於5000美元(新台幣15萬以內)的顯示器。然而,如果你要做迪士尼公司鉅作電影等級的專業色彩分級,那麼你會需要用到一台數萬美元(新台幣30萬以上)的reference HDR monitor顯示器才行。

由於我們身處在一個全HDR的環境,因此現在有寬動態範圍和廣色域可以來處理影像內容。這意味著您現在可以在螢幕上與最後的色彩分級時看到和保留相機所捕捉的動態範圍。更亮的高光區域將有更佳顯示,只要影像有正確的做到曝光而且場景有在相機的動態範圍值以內,就不用捨棄剪輯,而且你還可以保有更多的色彩資訊;大多數高階或電影用攝影機可以原生4:2:2色度採樣,10bit或甚至12bit來錄製。

色彩分級到什麼程度取決於創意總監的決定。然而,在近期人們觀看時下電影的HDR版本(母帶)並覺得HDR版本看起來與SDR色彩分級的內容沒有顯著差異後,就引起一些爭議。其他人,包括調色師及電影攝影技師們就為此替自己辯護,稱這是創意總監這類職位者的決定所造成的爭議,導演和電影攝影師在影像表現也應該要有最終的決定權,如果他們不想加入明亮的高光或HDR的廣色域,那就不必加。這引發另一個疑問,如果HDR版本看起來與SDR色彩分級沒太大差異,為什麼還要使用HDR,難道這是純粹為了宣傳目的?這有點離題,不在本篇的探討。

一旦分級完成,最後的步驟取決於將以何種格式提供輸出。如果你決定以Dolby Vision傳送(此格式是現今通常使用的),在最後的色彩分級要先使用編輯軟體進行分析以產出動態元資料(Dynamic metadata)。

接著Dolby Vision色彩分級會通過CMU或內容母帶單元,然後再通過一個被調校為100尼特的外部SDR監視器以產出SDR版本內容。在此,調色師會做所謂的「trim pass」,透過裁剪過濾,再檢視一次內容並且在進行任何需要的更改時,查看影片在SDR顯示器上看起來的樣子。這種將原始HDR分級產出SDR分級內容的做法已成為現在業界標準慣例,像Netflix這樣的公司在客戶遞交內容給他們時就要求這麼做。

「trim pass」之後,影像內容會到品質控制以及元資料導出這個最後階段。這就是現今如何獲得HDR內容而且經母帶製作後,用來作為實體及線上串流媒體使用的方法。如果你今天必須上傳一支HDR影片至YouTube,那麼過程與這裡提到的類似,但是因為YouTube目前尚不支援HDR10+或Dolby Vision,所以輸出時只需選HDR10格式即可。

值得注意的是,我們在本篇雖然將HDR10及Dolby Vision稱作「格式」,但它們並不是不同的編解碼器或容器。HDR資料作為元資料加到既有SDR影片之上,影片本身可以使用任何現有的編碼如H.264、HEVC、VP9或任何其它未來可能會出現的新編碼。但話回來,超高清藍光與許多4K HDR串流服務確實使用HEVC作為選擇的格式。這並不是說HDR就必須支援HEVC,只不過這個是目前業界習慣使用的格式而已。

 

智慧手機上的HDR

手機廠商在手機上對HDR影片生態的支援一直以來並沒有持續地積極布署。直到最近只侷限在HDR影片內容的消費而已,但現在你也可以在某些手機上創建HDR內容了。

在消費方面,我們已經看到許多不同程度的成功模式。大多數情況,聲稱支援HDR的手機都可以解碼與正確的播放HDR內容。然而,很多手機所使用的LCD或OLED面板並沒有達到特定的高亮度標準,所以HDR影片即使有廣色域,觀看體驗反而不如標準動態範圍影片。在某些情況下,即使是標準動態範圍影片,由於LCD或OLED面板的亮度沒有達到標準,觀看體驗也不佳。

現在很多手機也僅支援HDR10,很少有支援HDR10+,更少者支援Dolby Vision。HDR10+比較不相關,但如果你有訂閱Netflix,你會錯過Netflix所提供的很多的Dolby Vision內容而必須以較不厲害的HDR10格式觀看。蘋果是唯一一家在整個iPhone系列產品中納入Dolby Vision(杜比視界)的手機製造商,Android平台的手機目前鮮少支援。

然而,自iPhone 8系列推出以來,蘋果也是一家多年來有在推出「假HDR」裝置的手機製造商。所有蘋果LCD面板的iPhone與多款LCD面板的iPad支援所謂的HDR10與Dolby Vision其實是經由軟體達成,並不是真的有支援HDR的螢幕面板。只有OLED面板的iPhone才真的有能力播放HDR。iOS系統做的是對亮度級別進行色調映射來調適這些非HDR面板的動態範圍,但這往往導致影像偏暗與及對比度差。當你使用支援HDR的app看影片時,例如Netflix、Apple TV,在LCD螢幕觀看這些經過軟體處理出來的「假HDR」,同樣一部影片,畫質實際上看起來還比SDR差。而且由於沒有選項讓你關掉HDR版本的影片,你只能被強迫以這樣的方式觀看。

至於HDR影片錄製,近幾年的手機已經有好多款都具備可以直接錄製與儲存HDR10了(三星的手機支援HDR10+)。這種影片與SDR影片一樣都有經過全彩色分級,所以你不需要做什麼就可以在手機或任何其它HDR相容裝置上觀看。

從iPhone 12開始,蘋果決定讓12系列都支援Dolby Vision錄影。相對於其它HDR格式,我們覺得iPhone 12系列加入Dolby Vision錄影並沒有什麼特別之處,但厲害的是它能支援到4K@60fps(限Pro系列),並且讓你錄完可直接在手機上編輯。

看過這些影片後,我們有不同的感想。雖然影片確實有更棒的動態範圍與對比,而且確實在亮部區域有更佳細節表現與較少的色缺(banding;例如在色彩的漸層,色彩深度不夠時,原本應該平順的漸層會變成色塊,就叫作banding),HDR的效果將會基於場景條件不同而有不同的差異。此外,因為色彩及亮度分級是透過軟體使用從手機鏡頭元件獲取的圖像資訊完成的,所以別期待成像結果可以像專業的調色師從電影攝影機鏡頭獲取影像那種厲害的水準。但以手機這樣價位的裝置來說,看起來的效果已是相當不錯。

目前的問題在於影片分享上,因為HDR影片與大多數線上分享服務不相容。如果手機以標準HDR10進行錄影,你仍然可以將影片上傳至YouTube或Vimeo(它們支援HDR)。然而,現階段對於Dolby Vision影片在分享上,除錄好後在你自己手機上觀看,你能做的應用就比較有限。如果你要將自己手機錄出的Dolby Vision影片分享,手機將會自動刪除當中的元資料(metadata)並轉換為SDR格式影片。

很難說什麼時候線上串流的其他業者會開始支援HDR(或者全部業者開始擁抱HDR規格)。他們不可能輕易(或貿然?)地轉換/採用至一個只有少數人裝置才有支援的影片格式,甚至是更少人可以完整正確的體驗到。我們在想這樣的時代只有當推特或FB等大型網站也開始支援Dolby Vision時才會真正的普及。

 

相片上的HDR

在相片攝影領域中,HDR一詞已使用多年,甚至在引入影片之前就有了。這名詞指的是將不同曝光值的多張圖像進行堆疊,然後將它們合併成一張具有「寬」動態範圍的圖像。然而,最後的結果不完全是真正的動態範圍而且設計用意在欺騙當時印刷和顯示器的局限性/極限性。

將不同曝光值的多張圖像進行堆疊的技術稱作「tonemapping(色調映射)」。它讓單張照片就可獲得暗區及亮區的影像細節。雖然你並沒有完全體驗到照片所捕獲的全部光線資訊,但是它做為僅可檢視照片中所有的內容而且不會有過曝光或曝光不足情況這樣的目的是夠的,因此,成像結果仍然是一張具備動態範圍的照片。這個技術也克服早期數位相機在動態範圍表現會比底片相機差的先天限制。

這個技術仍然使用在相機上,尤其在智慧型手機,都仍然被稱作HDR。然而,它與本篇我們所提到的HDR並不同,因為它沒有用的不同的EOTF(光學傳遞函數-Optical transfer function),而且也沒有與標準數位影像技術有任何的差異。

然而現在有相機可以捕獲HDR PQ的影像。這與我們上面談到HDR影片時提到的Perceptual Quantizer Electro Optical Transfer Function(感知量化電光轉換功能)相同,也就是說靜態圓像實際上能夠儲存更高的亮度值,當在支援HDR的顯示器觀看時能夠顯示高亮細節,因而做到實際的寬動態範圍(wide dynamic range)。

可以做到Perceptual Quantizer EOTF的相機有Canon EOS 1D X Mark III、EOS R5、以及EOS R6。它們拍的相片會以HEIF或RAW儲存,只能在有支援HDR的顯示器或裝置正確的顯示。未來會有更多裝置,包括手機,採用這項技術,但同樣的,也會面臨影片分享時很多裝置無法正確播放的情形。

 

遊戲上的HDR

我們已經看過HDR PQ在影片甚至在相片的應用,但HDR受歡迎的程度也慢慢的在遊戲領域成長。在遊戲領域中,它使用相同的HDR PQ演算法來產生寬動態範圍影像,而且輸出時可以採用任何常用的標準,包括HDR10或Dolby Vision。

由於遊戲製作的技術密集度高,基本上都是從無到有,每個元素都是預定好的,因為你只需在某顏色或紋理上指定與SDR版本不同的亮度值即可,因此在遊戲加入HDR會比較容易。處理時的技巧是不要讓它太干擾或太超過,當做得恰到好處時,可以大大提升整體體驗,尤其在有故事情節進行的作品。此外,因為遊戲通常採用比較夢幻般的設計,不需要像電影或電視那樣看起來逼真,因此玩家們可以享受遊戲製作公司在製作遊戲時所利用的較大的色彩範圍,以及其帶來的視覺體驗。

由於電視通常能將HDR處理地不錯,因此HDR已在家用遊戲中得到一定程度的採用。然而,PC平台上就不是那麼普遍,因為微軟Windows在HDR方面的支援仍然不夠標準,它需要你在設定切換不同HDR模式,這會讓所有非HDR元素的影片在螢幕播放看起來很怪。便宜的HDR顯示器通常也很糟糕,因此體驗常常不盡理想。雖然HDR在遊戲領域有很大的發展潛力,但這可能是它還無法被大量採用的原因。

 

HDR的局限性

儘管HDR這項技術本身沒有很多限制,但事實證明它很難推廣,有很大程度的原因出在硬體方面的限制。

HDR對硬體的要求很高,目前市售的顯示器甚至無法達到此技術的現行規格要求,在色域以及峰值亮度(尤其在峰值亮度)都無法達到。就某些方面而言這是好事,因為接下來發展是,HDR標準本身不需要有太多的演進,硬體的規格則會漸漸的跟上,屆時現有的HDR內容也就可以在新的硬體上有更好的表現。然而這意味目前為止,我們還無法充分體驗HDR原本要帶來的優質呈現。

即使在現今有支援的硬體上,你獲得的體驗上也有很大差異,而且這取決多種因素。首先價格是最大的因素;便宜的HDR顯示器並無法完全發揮HDR技術的潛力。很多聲稱支援HDR的廉價電視、顯示器、手機其實都只是透過軟體來支援HDR PQ內容播放。這些設備的硬體規格實際上無法實現足夠高的亮度、對比度、色位深度和色域覆蓋範圍,所以這些廠商宣稱他們的產品可以比SDR標準有有更佳畫質並沒有意義。

此外,不同顯示器技術也造成HDR效能表現差異另一個環節。OLED自發光面板適合顯示HDR內容,因為它能做到每個像素點都是自發光(每個像素可以各自控制光輸出),可達到局部亮度和無限的對比度。然而OLED受溫度與功率的限制而限制了亮度輸出(OLED螢幕省電,其實只是黑色省電而已;因為黑色像素不需要發光,但白色背景有時反而還要耗電),因此它的峰值亮度輸出不會特別高,即使達到峰值亮度也不能持續太長的時間。

▼ 儘管OLED有其固有的局限性,Panasonic OLED系列電視被認為同級中最好

另一方面,LCD這類背光面板能夠達到非常高的亮度,而且可以以更久時間維持高亮度。但在局部調光部份,LCD面板就沒有與OLED面板相同的個別像素等級的局部光輸出,因此LCD在對比度跟不上OLED的。因此,儘管OLED有亮度不足及烙印的顧慮,但如果經濟負擔的起,現今愛好影視的消費者們還是會偏好OLED,因為它每個像素點自發光仍是體驗HDR最佳的方式。

在電腦上的HDR體驗也有很多不足之處,尤其在微軟Windows作業系統上。在多媒體播放機或遊戲主機上,你通常會全程使用全螢幕模式進行HDR內容播放,因此這兩種設備不必擔心需要同時渲染SDR和HDR元素,而是在兩者之間切換就好。在PC上,你可以在一台有支援標準動態範(SDR)的桌機播放HDR影片內容,前提是這台桌機要能有流暢地處理這兩種格式的效能。傳統上Windows即使只是要同時啟用兩個不同的色彩空間就有點困難了,所以當在一台SDR桌上型環境處理HDR時,而且需要強制將HDR影片放大至全螢幕遇到跑不太動時,就不足為奇,這讓非HDR元素看起來怪怪。至於macOS,由於蘋果一向在色彩管理做得較好,因此在這方面macOS就處理得較好。

如前所述,HDR的製作與分享也不是件簡單的過程。如果電影工作室選擇支持HDR,現在都必須為他們作品製作兩個版本,進而增加後期製作的時間。更不用說從獲取、製作母帶到分配額外檔案所需的專用設備。而且肯定有一些HDR內容沒有被正確地依規範製作,或者是HDR容器裡面郤只是SDR等級的內容。如果你是第一次體驗HDR,那這種內容可能會留給你不好的印象,而且可能會引起使用者棄用。

 

感想

HDR毫無疑問是影視技術最大的進展之一,它在動態範圍和色彩方面帶來的改進明顯地讓影片更加真實並使內容更具沉浸感。大部份的人都同意HDR在影像保真度的影響更勝解析度的提升。這就如同影格數從30fps提升至60fps,你不需是專家就可以看出兩者之間的差異。

然而,我們仍處於這項技術的早期階段。能正確顯示HDR內容的硬體尚未在市場上銷售,而且要讓大多數消費者都負擔得起還需要很長一段時間。但這並不是說你無法享受出色的HDR體驗,旦需要挑一款LG或Panasonic OLED系列電視,加上一台Oppo 203播放機,配上一套有環繞音效的系統就行,但這些設備加起來並不便宜。

但如果你沒有相容HDR的電視或智慧手機也OK。與HDR一樣,傳統影片也可以有非常出色表現,你可以挑一款有支援4K HDR播放機,然後在有支援HDR的電視上播放,即使是標準1080p影片看起來也會很棒。我們認為體驗高品質的SDR影片會比在便宜的電視系統上渲染低品質HDR內容還要好。再者,我們真誠的認為大家不必太在乎你的手機是否有支援HDR錄影與否,尤其若你喜歡把你手機錄製的HDR影片分享給朋友的人,因為你朋友的手機很大的機會是不支援這個格式播放。

但是,我們對HDR技術的未來會如何發展感到著迷,迫不及待地希望有更多高品質且價格更低的HDR電視推出,HDR內容和線上分享服務的支援更完整。或許下次我們決定做關於HDR專題介紹文時,一切可以變得更好。希望這篇文章對大家有所幫助,當中的說明可以協助你了解HDR,或點燃你對HDR的好奇,提升對它有更深一層的認知,並在未來做HDR設備的購買時,可做出更明智的消費決定。

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